基于FX2N的M7120磨床的PLC改造设计 电气工程技术毕业设计

目录第一部分设计任务与调研…………………3第二部分设计说明……………4第三部分设计成果…………12第四部分结束语……………17第五部分致谢…………………18第六部分参考文献…………19

第一部分设计任务与调研本次毕业设计的主要任务是分析M7120型平面磨床电气控制系统组成，利用PLC控制对M7120型平面磨床的电气控制部分进行改造。我先对本次设计进行了总体的思考和分析，让我对平面磨床的基本结构、运动情况、加工工艺有了一定程度的了解。经过改造后磨床不仅安全性更高，运行也会变得更加顺畅。由于PLC极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实现特性，因此，使M7120型平面磨床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩张能力强等特点。其设计思路首先要充分理解M7120型平面磨床的工作原理以及工作特点，如需要完成的动作（动作顺序，必须的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，连续等），再对其进行改造。根据控制要求确定PLC的控制方案，根据PLC的控制方案和工艺要求确定系统运行方式。关于设计的研究方法我使用的是翻译法，翻译法是用所选机型的PLC中功能相当的软元件，代替原继电器-接触器控制线路原理图中的原件，将继电器-接触器控制线路翻译成PLC梯形图的方法。这种方法主要用于对旧设备、旧控制系统的技术改造。翻译法的设计步骤：1.分析、熟悉原有的继电器-接触器控制线路的工作原理。2.确定I/O点数、种类选择PLC机型，绘制I/O端子接线图。3.用编号确定的PLC输入输出继电器代替继电器-接触器控制线路中的对应元件。4.继电器-接触器控制线路中的时间继电器和中级继电器分别用PLC的定时器和辅助继电器代替。5.对于不同回路的共用触头，可通过增加软触头来实现。6.画出全部梯形图，最后进行简化和整理。7.将编制好的程序先进行模拟调试，然后再进行现场联机调试。

第二部分设计说明在这部分里，我将首先叙述下本课题所涉及的问题，然后在针对本课题展开叙写，主要分为四个部分：2.1关于PLC的基本结构、工作原理以及FX2N的特点可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。可编程序控制器及其相关设备都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。其组成框图如图2-1所示。输入接口中央处理器输入接口中央处理器输出接口输出接口程序存储器程序存储器用户程序系统程序用户程序系统程序电源电源编程器编程器图2-1PLC组成框PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编辑器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2-2所示。开始开始内部处理内部处理通信处理通信处理RUN方式YRUN方式N输入扫描输入扫描执行用户程序执行用户程序输出处理输出处理图2-2PLC工作过程在PLC运行时，CPU根据用户控制要求编制好并存于用户存储器的程序，按指令步序号（或地址号）作用周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必须经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进行程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所用内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。而FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通讯功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。2.2M7120型平面磨床概述1.M7120型平面磨床的简介平面磨床是用砂轮磨削加工各种零件平面的机床，M7120型平面磨床是平面磨床中使用较为普遍的一种，它的磨削精度高和表面较光洁，操作方便，适于磨削精密零件和各种工具。M7120型平面磨床主要由它由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成，如图2-2-1所示。图2-2-1M7120型平面磨床的结构2.M7120型平面磨床的工作特点M7120型平面磨床共有四台电动机，即砂轮电动机、砂轮升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。各电机在工作是的作用及特性分别为砂轮电动机的主运动：砂轮的旋转运动就是M7120型平面磨床的主运动，线速度为30～50m/s。砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动；砂轮升降电机的垂直运动：砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置；液压泵电动机往复运动：工作台在床身导轨上的直线往复运动和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无级调速，换向时惯性小，换向平稳。M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。2.3M7120型平面磨床电气控制M7120磨床的电气控制电路图如图2-3-1所示，根据图2-3-1分析它的工作原理：图2-3-1M7120型平面磨床控制电路原理图1.主电路分析主电路中有四台电动机，分别是液压泵电动机M1，砂轮电动机M2，冷却泵电动机M3，砂轮升降电动机M4。四台电动机的工作要求是：M1、M2和M3只需正转控制，M4需要正反转控制，冷却泵电动机M3需要在M2运转后才能运转。四台电动机的短路保护由熔断器FU1执行；欠压和失压保护由接触器KM1、KM、KM3和KM4来实现；除M4之外，其余三台电动机分别由热继电器FR1、FR2和FR3进行过载保护。2．控制电路分析控制线路设有电压继电器KV闭合启东和总停止按钮SB1。M7120的具体控制过程如下：（1）液压泵电动机M1的控制当按下液压泵电动机M1的启动按钮SB2时，接触器KM1通电闭合并自锁，液压泵电动机M1启动运转，同时液压信号灯HL2亮；当按下液压泵电动机M1的停止按钮SB3时，接触器KM1失电断开，液压泵电动机M1停止运转，同时液压信号灯HL2熄灭。（2）砂轮电动机M2及冷却泵电动机M3的控制按下砂轮电动机M2起动按扭SB4，接触器KM2线圈得电吸合并自锁，砂轮电动机M2起动运转，同时砂轮信号灯HL3亮。冷却泵电动机M3的控制是在砂轮电动机M2起动后通过接插器XP的插入和拔出控制其运行和停止的，所以M3与M2同时起动运转。当按下停止按钮SB5时，接触器KM2线圈断电释放，M2与M3同时断电停转，同时砂轮信号灯HL3熄灭。（3）砂轮升降电动机M4的控制因为砂轮升降是短时运转，所以采用点动控制。当按下点动按钮SB6，接触器KM3线圈得电吸合，电动机M4起动正转，同时砂轮升降信号灯HL4亮，砂轮上升，上升到所需的位置，松开SB6，KM3线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮停止上升，砂轮升降信号灯HL4熄灭；按下点动按钮SB7，接触器KM4线圈得电吸合，电动机M4起动反转，同时砂轮升降信号灯HL4亮，砂轮下降，当砂轮下降到所需位置，松开SB7，KM4线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮停止下降，砂轮升降信号灯HL4熄灭。为了防止电动机M4的正反转线路同时接通，故在控制电路中采用接触器联锁设置。（4）电磁吸盘YH控制按下按钮SB8，接触器KM5得电闭合，电磁吸盘YH充磁，同时指示灯HL5亮；按下按钮SB9，电磁吸盘YH停止充磁；按下按钮SB10，接触器KM6得电闭合，电磁吸盘YH点动去磁。2.4基于FX2N的M7120磨床的改造设计的准备1.PLC型号的选择根据控制电路能得到I/O点数，包括16输入点，分别是12个钮、3个热继电器、1个电压继电器；还有由7个接触器组成的7个输出点。根据确定的I/O点数考虑留有一定余量，选择三菱公司的FX2N—48MR型PLC，该PLC分别有24个输入点和输出点，为继电器输出，使用电源为交流100～240V。I/O设备的选择（1）开关的选择目前一般有自动空气断路器；刀开关和熔断器的组合；组合开关三种。根据电动机的容量(主轴电动机20KW、快速移动电动机0.75KW、冷却泵电动机0.125KW)，选用组合开关HZ10—25P/3型作机床电源的引入开关。（2）控制变压器的选择在机床的控制电路中需要用到不同的电压，例如：PLC的外电路及电器元件，机床上的照明电路所需电压，接触器的电压等。它们需要不同的电压等级，提高系统的安全性。选用控制变压器的型号为JBK300380/220。（3）熔断器的选择熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，当超出限定值的电流通过熔断器的熔体时将其熔化而分开电路。本次改造选用的熔断器型号为RL1—60和RL1—15型。（4）热继电器的选择热继电器的作用是过载保护。根据主轴电动机和快速移动电动机的工作情况和技术参数，所选热机电器的型号为JR36—20。（5）导线的选择主回路中导线截面积较大，不用考虑机械强度而只按允许载流量选择。机床上电源和主电动机使用BVR10软线，快速移动电动机使用BVR2.5软线，其它的控制线路均采用BVR2.5软线。元器件的具体选择情况见表2-4-1。序号名称符号型号规格数量单位1可变程控制器PLCFX2N—48MR1台2组合开关QSHZ10—25P/31只3熔断器FURL1—60+RL1—156只4接触器KM3TB437只5热继电器FRJR36—203只6电压继电器KV1只7控制变压器TMJBK300380/2201只8按钮SBLA4—3H12只9指示灯HL6只10铜导线—BVR若干米表2-4-1元器件选择表第三部分设计成果1.PLC改造的硬件设计（1）I/O分配表分别列出原电气控制电路中的输入信号与输出信号，与PLC输入输出信号一一对应，得到如下分配表：输入信号输出信号名称输入点名称输出点电压继电器KVX0M1接触器KM1Y0总停止按钮SB1X1M2接触器KM2Y1M1启动按钮SB2X2砂轮上升接触器KM3Y2M1停止按钮SB3X3砂轮下降接触器KM4Y3M2启动按钮SB4X4电磁吸盘充磁接触KM5Y4M2停止按钮SB5X5电磁吸盘去磁接触KM6Y5M4上升按钮SB6X6冷却泵电动机接触KM7Y6M4下降按钮SB7X7YH充磁按钮SB8X10YH充磁停止按钮SB9X11YH去磁按钮SB10X12M3启动按钮SB11X13M3停止按钮SB12X14M1热继电器KH1X15M2热继电器KH2X16M3热继电器KH3X17表3-1-1I/O分配表这样，在对M7120磨床进行PLC改造控制的同时，也改进了冷却泵电动机M3的控制。（2）PLC外部接线图磨床经改造后，原电气控制电路变为PLC控制，其外部接线图如图3-1-1所示。图3-1-1PLC外部接线图2.PLC改造的软件设计根据继电器控制系统工作原理，结合PLC编程的特点，编制PLC控制梯形图，具体设计如下：（1）电压继电器控制输入点X0接通后，辅助继点MO得电，电压继电器触电闭合，控制线路得电。其梯形图如图3-2-1所示。图3-2-1电压继电器控制梯形图（2）液压泵电动机M1控制M0接通控制线路得电，按下停止按钮SB1，X1断开控制线路停止工作。按下启动按钮SB2，X2接通，Y0得电自锁，M1运转；按下停止按钮SB3，X3断开，Y0失电，M1停止工作；继电器KH1断开，会使X15断开，Y0失电，M1停止工作，实现液压泵电动机的断路保护。其梯形图如图3-2-2所示。图3-2-2液压泵电动机控制梯形图砂轮电动机M2控制按下启动按钮SB4，X4接通，Y1得电自锁，M2运转；按下停止按钮SB5，X5断开，Y1失电，M2停止工作；继电器KH2或KH3断开，会使X16或X17断开，Y1失电，M2停止工作，实现砂轮电动机的断路保护。其梯形图如图3-2-3所示。图3-2-3砂轮电动机控制梯形图（4）砂轮升降电动机M4控制按下上升按钮SB6，X6接通，Y2得电，M4正转做上升运动，松开SB6，停止运动；按下下降按钮SB7，X7接通，Y3得电，M4反做下降运动，松开SB7，停止运动。其梯形图如图3-2-4所示。图3-2-4砂轮升降电动机控制梯形图电磁吸盘的充磁和去磁控制按下开始按钮SB8，X10接通，Y4得电自锁，电磁吸盘开始充磁；按下停止按钮SB9，X11断开，Y4失电，电磁吸盘停止充磁；按下开始按钮SB10，X12接通，Y5得电，电磁吸盘点动去磁；松开SB10，停止去磁。其梯形图如图3-2-5所示。图3-2-5电磁吸盘的充磁和去磁控制梯形图（6）冷却泵电动机M3控制按下启动按钮SB11，X13接通，Y6得电自锁，M3运转；按下停止按钮SB12，X14断开，Y6失电，M3停止工作；继电器KH2或KH3断开，会使X16或X17断开，Y6失电，M3停止工作，实现冷却泵电动机的断路保护。其梯形图如图3-2-6所示。图3-2-6冷却泵电动机控制梯形图PLC改造的目的本次设计的题目是利用PLC对M7120型平面磨床的电气部分进行改造。此次改造电气是利用PLC控制继电器，再由继电器控制电动机以达到以下功能：（1）接通电源，观察电源灯HL1和照明灯EL是否亮起。（2）按下启动按钮SB2，观察M1是否运转，并且HL2应该亮起；按下停止按钮SB3，M1应停止工作，同时HL2熄灭。（3）按下启动按钮SB4，M2应运转，同时HL3亮起；按下停止按钮SB5，M2停止工作。同时HL3熄灭。（4）按下上升按钮SB6，M4正转做上升运动，HL4亮，松开SB6，停止运动且HL4灭；按下下降按钮SB7，M4反做下降运动，HL4亮，松开SB7，停止运动且HL4熄灭。（5）按下开始按钮SB8，电磁吸盘开始充磁，同时HL5亮；按下停止按钮SB9，电磁吸盘停止充磁且HL5熄灭；按下开始按钮SB10，电磁吸盘点动去磁，HL5亮；松开SB10，停止去磁且HL5熄灭。（6）按下启动按钮SB11，M3运转；按下停止按钮SB12，M3停止工作。（7）按下停止按钮SB1，控制电路停止工作。

第四部分结束语通过PLC控制使原M7120平面磨床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。节省大量的继电器元件,使M7120平面磨床的工作效率更高。该项技术还可推广应用于其他辅机设备或其他领域的自动化控制改造中。改造后的M7120平面磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制M7120平面磨床的运行，实现了M7120平面磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，可根据运行要求灵活切换M7120平面磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显示运行状态，实现智能化监控。并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。从而实现了M7120平面磨床运行的自动化。一开始做设计方案时，不太了解要怎样去做磨床的改造，没有什么概念，后来通过老师给的资料和自己